模擬天然模塊聚酮合酶的有序組裝，提高人工細(xì)胞工廠的合成效率

該研究通過模擬天然模塊聚酮合酶（PKS）高度有序的組裝方式，利用其中研究較多的I型cis-AT聚酮合酶對接域，開發(fā)了“mimic PKS enzyme assembly line (mPKSeal)”多酶組裝策略，并應(yīng)用于蝦青素合成途徑酶的組裝，蝦青素的產(chǎn)量高提高了2.4倍 （產(chǎn)量達(dá)16.9 mg/g DCW）。這是該研究團(tuán)隊繼RIAD/RIDD雙酶組裝策略之后的又一多酶組裝策略的開發(fā)，前者已在不同報道中顯示出其良好的應(yīng)用潛力，而mPKSeal策略不再局限于兩種酶的組裝，而是可拓展為同一體系中的多種酶有序組裝，且潛在的組裝元件個數(shù)超萬，可為生物催化、代謝工程及合成生物學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域提供更廣泛有效的提高合成效率的解決方案。

對接域的體內(nèi)體外組裝研究。為了驗證從天然PKS系統(tǒng)中剝離出來的相互作用元件-對接域的識別與組裝能力，本研究分別在體外和體內(nèi)實驗中驗證了獨立于聚酮合酶的對接域仍保持著良好的相互作用能力。體外實驗評估了來源于紅霉素聚酮合酶（DEBS）和雷帕霉素聚酮合酶（RAPS）對接域相互作用的動力學(xué)參數(shù)，體內(nèi)實驗利用熒光蛋白的定位變化驗證了對接域介導(dǎo)非PKS的異源酶組裝能力。

mDEBSeal策略用于蝦青素代謝途徑酶組裝。在前期研究中，研究團(tuán)隊已經(jīng)構(gòu)建了一株蝦青素高產(chǎn)菌株。在研究中發(fā)現(xiàn)，該菌株表現(xiàn)出代謝中間體的積累（Ac-CoA、acetoacetyl-CoA、IPP/DMAPP及beta-carotene）。因此，為了減少中間體的積累，進(jìn)一步提高蝦青素的產(chǎn)量，在本研究中，作者將源于DEBS的mDEBSeal策略用于蝦青素代謝途徑酶組裝：將細(xì)胞內(nèi)不同空間分布的蝦青素代謝途徑酶進(jìn)行質(zhì)膜酶多組合組裝。結(jié)果表明，組裝菌株中蝦青素產(chǎn)量均有提高，其中在胞質(zhì)-胞膜三酶組裝   （Idi-CrtE-CrtB）   菌株A8中，蝦青素產(chǎn)量提高了2.4倍，達(dá)到16.9 mg/g DCW    。

目前，自然界中已經(jīng)被鑒定的I型cis-AT PKS超過1600種，這些多樣的PKS系統(tǒng)含有多樣的對接域。為了拓展mPKSeal的應(yīng)用潛力，作者進(jìn)一步探究了來源于不同PKS的mAURSeal、mFKBSeal及mRAPSeal策略的應(yīng)用。結(jié)果表明，三個策略的應(yīng)用使蝦青素的產(chǎn)量均表現(xiàn)出明顯的提升。由此表明，來源于不同天然I型cis-AT PKS的對接域同樣能夠用于mPKSeal策略。

在前期研究中，基于蛋白-蛋白共進(jìn)化的生物系統(tǒng)聚類分析，研究人員將不同PKS來源的對接域進(jìn)一步劃分為不同類別：H1a–T1a, H1b–T1b，H2–T2等。為了進(jìn)一步探究不同類別對接域組合應(yīng)用的潛力，作者測試了來自不同PKS的多組不同類別的對接域組合應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)即使是不同PKS的對接域在同一分類下仍然能夠有序組裝，并實現(xiàn)蝦青素產(chǎn)量的提升    。

另一方面，mPKSeal策略中上萬個潛在的組裝元件，有望突破現(xiàn)有組裝元件的個數(shù)，并改善同一體系中組裝不同對象數(shù)量上的限制，為更廣泛的應(yīng)用場景提供工具和策略選擇。中科院先進(jìn)院研究助理孫溪溪、苑玉杰博士及研究助理陳琪通為共同第一作者，馬田副研究員、劉天罡教授及鄧子新教授為共同通訊作者。該研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金及深圳合成生物創(chuàng)新研究院等支持。